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专利名称：深冷环境材料力学性能检测试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及材料力学性能测试领域，具体涉及一种深冷环境下材料力学性能的测试试验装置。
背景技术：
深冷环境下材料的力学性能是航空航天、超导、化工以及能源储运等行业领域关注的一个重点。深冷环境对材料力学性能的影响及其机理十分复杂，以低温工程和承压设备行业中常见的奥氏体不锈钢材料为例，低温对于其强度、韧性以及疲劳等力学性能等都会产生影响，其影响的机理尚不明确，可能包括低温下材料位错运动激活能的降低以及堆垛层错能等因素的影响。 深冷材料试验是获取材料低温力学性能数据的必要手段，这也对材料试验装置提出了更高要求。目前试验设备实现低温试验能力的方式一般为通用拉伸试验机的基础上添加采用液氮气化制冷的低温环境箱的形式，控制方式分为横梁位移控制和引伸计控制。也有部分试验机可进行液氮环境下的试验，但仅能使用横梁位移控制，且试验能力有限。另夕卜，低温环境箱和试验机的疲劳功能结合较为困难。因此，现有深冷材料试验装置在试验温度范围、控制及检测精度方面无法同时满足深冷环境材料拉伸及疲劳试验的要求。

实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是，克服现有试验装置存在的不足，提供一种可实现从常温到液氮温度、可全程实现引伸计控制的材料单轴拉伸及疲劳试验装置。为解决技术问题，本实用新型的技术方案是提供一种深冷环境材料力学性能检测试验装置，包括试验机控制系统、数据检测系统、低温恒温系统以及试验机主体，试验机控制系统包括连接至计算机的电子伺服控制器；所述试验机主体由液压源和双柱机架组成；其中，双柱机架包括固定设置于底座上的两根立柱，装有作动器的横梁经两个通孔套设于两根立柱上；横梁的两端分别固定在竖向的提升筒上，提升筒下端抵在底座上；横梁上与拉伸杆之间安装有载荷传感器，所述作动器和提升筒与液压源相接；所述低温恒温系统有两套且能相互切换使用，分别是液氮气化制冷系统和液氮直接制冷系统，其中，液氮气化制冷系统包括接于双柱机架底座的环境箱、温度控制器及热电偶；环境箱顶部和底部均开孔，所述的拉伸杆从环境箱顶部开孔伸入环境箱内部，还有另一根拉伸杆从环境箱底部的开孔伸入环境箱内部，两根拉伸杆相对设置且其端部均设有夹具；所述双柱机架的底座上设导轨，所述液氮气化制冷系统环境箱底部设有与该导轨相匹配的卡装部件，环境箱通过导轨与底座实现连接且能沿导轨前后移动；环境箱内设两个热电偶，一个置于环境箱内部空间内并连接至温度控制器用于环境箱温度反馈控制，另一个紧贴试样以准确获得试样温度；[0009]液氮直接制冷系统包括通过平台置于双柱机架底座上的环境箱，该环境箱是一个盛装液氮或液氦的容器，其容器盖上设有开孔；拉伸杆和两根接于迷你机架的迷你机架反向杆分别经开孔伸入环境箱内部，迷你机架与环境箱的内壁不接触；两个相对设置的夹具分别安装在拉伸杆一端和迷你机架上。本实用新型中，在所述液氮气化制冷系统和液氮直接制冷系统的环境箱内设有能工作于深冷环境的引伸计。本实用新型中，所述液氮直接制冷系统包括用于向环境箱内通入液氮的金属软管，其底部设有能使液氮稳定流出的相分离器。本实用新型中，所述液氮直接制冷系统的环境箱置于电子秤之上，其容器盖上设有用于通过测量液位用刻度尺的开孔。本实用新型中，所述作动器位于横梁的上方或下方；作动器位于横梁的一侧，而所 述拉伸杆及环境箱则位于横梁的另一侧。本实用新型的有益效果是与其他现有装置相比，该装置可以实现从常温到零下185°C以及液氮温度下的材料拉伸及疲劳试验，可方便地实现液氮气化制冷和液氮直接制冷两种方式的切换，具有试验温度范围大，检测精度高等优点。

图I是深冷环境材料力学性能检测试验装置构成示意图。图中实线箭头表示控制信号的传递，虚线箭头表示反馈信号的传递。图2是采用液氮气化制冷时机架及环境箱部分结构示意图。图中位移传感器I、立柱2、作动器3、横梁4、提升筒5,载荷传感器6、环境箱(液氮气化制冷)7、夹具8、拉伸杆9、导轨10、底座11、温度控制器12、热电偶a 13、引伸计14、热电偶b 15。图3是采用液氮直接制冷时机架及环境箱部分的结构示意图。图中迷你机架反向杆16、拉伸杆17、环境箱(液氮直接制冷)18、试样19、夹具20、迷你机架21、电子秤22、铝制平台23。图4是液氮直接制冷环境箱上盖开孔示意图。图中低温金属软管开孔24、迷你机架开孔25、刻度尺开孔26、引伸计导线开孔。图5是液氮直接制冷环境箱内部布置示意图。图中刻度尺28、低温金属软管29、相分离器30,环境箱上盖31。
具体实施方式
本装置可分为试验机主体、试验机控制系统、低温恒温系统以及数据检测系统。试验机主体包括双柱机架和液压源，液压源为试验机横梁4移动和作动器3工作提供动力，机架为试验进行的平台，安置有低温恒温系统。低温恒温系统有两套，且能相互切换使用，分别是液氮气化制冷系统和液氮直接制冷系统。双柱机架包括固定设置于底座11上的两根立柱2，装有作动器3的横梁4经两个通孔套设于两根立柱2上；横梁4的两端分别固定在竖向的提升筒5上，提升筒5则抵在底座上11 ;横梁4上还装有与拉伸杆9、17相接的载荷传感器6，所述作动器3和提升筒5与液压源相接。试验机控制系统包括电子伺服控制器和电脑以及相应的软件，该控制系统可通过电脑实现对试验全过程(除温度外)各项参数的实时获取和控制，并可对试验结果进行加工处理和保存。数据监测系统包括位移传感器I和载荷传感器6，以及为了实现深冷环境下对应变的精确检测与控制而引入的引伸计14。整个系统的构成与联系如图I所示，操作人员通过计算机进行控制，计算机的数字控制信号经电子伺服控制器处理并转化为模拟信号对液压源进行控制。液压源驱动双柱机架上的作动器，对试样进行加载。试验数据检测由引伸计14以及位移传感器I和载荷传感器6进行检测，检测数据由电子伺服控制器转换为数字信号并交由计算机进行分析和记 录。低温恒温系统分为分为液氮气化制冷和液氮直接制冷两套子系统。液氮气化制冷系统的环境箱7用于常温到_185°C的试验，采用液氮气化制冷时机架的布置如图2所示，环境箱7顶部和底部开有圆孔，一根拉伸杆9从环境箱7顶部开孔伸入环境箱7内部，还有另一根拉伸杆9从环境箱7底部的开孔伸入环境箱7内部，两根拉伸杆9相对设置且其端部均设有夹具8。环境箱7内部有液氮气化装置。环境箱7内部温度由一只K型热电偶15检测，反馈到温度控制器12进行温度控制，使环境箱内温度维持在设定温度值的正负2°C范围内。此外另有一只K型热电偶13负责检测试样温度。环境箱7通过导轨10固定在底座11上，在不使用时可以沿导轨10移出，以便进行室温试验或腾出位置安放铝制平台23以放置液氮直接制冷系统的环境箱18。使用液氮气化制冷系统进行试验时，按图2所示安装好各部件后，首先打开温度控制器12和环境箱7的电源开关，通过温度控制器12设置试验所需的环境温度，开启液氮罐阀门，并通过热电偶13检测试样温度，待试样温度稳定在设定值时开始试验。液氮直接制冷系统的环境箱18用于液氮温度(-196°C)下的试验，采用液氮直接制冷时机架的布置如图3所示。此时夹具20相对设置于迷你机架21和拉伸杆17上，环境箱上盖31上分别设有用于通过引伸计14的导线开孔27、迷你机架21的开孔25、刻度尺28的开孔26以及低温金属软管29的开孔24。迷你机架反向杆16和拉伸杆17穿过上盖31，整个迷你机架21置于环境箱18之中且与其内壁不接触。低温金属软管29用于向环境箱18内通入液氮，其出口处有相分离器30，用于分离气液两相，使液氮可以平稳流出。刻度尺28用于手动测量液位，使用时将其通过开孔26垂直插入环境箱18内，直至其底部，片刻后取出，通过刻度尺28上的结霜情况获得液位。电子秤22用于测量环境箱18重量，帮助实时监测其中液氮量的变化，但考虑到实验进行时环境箱内不同高度截面积并不相等，准确的液氮液位仍需要使用刻度尺28测量。使用液氮直接制冷进行试验时，安图3及图5所示安装好各部件后，开启液氮罐阀门，使液氮通过低温金属软管29流入环境箱18内，定时使用刻度尺28测量液位，待液氮液位高于试样19顶端一定高度(如5cm)后关闭液氮罐阀门，开始试验。试验中注意通过电子秤22 了解环境箱重量变化，并定时使用刻度尺28测量液氮液位，以便及时补充液氮。以上所述，仅是本实用新型的一个实施案例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型已经以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出某些更动或修改而成为等同变化的等效实施案例。例如，本实用新型并不限定环境箱7、18必须要置于作动器3下方，可以根据实际需要安装在作动器3上方。又例如，本实用新型并不限定恒温箱冷却介质为液氮，同样适用于液氦等低温液化气体。 凡是未脱离本技术方案的内容，根据本技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本技术方案范围内。
权利要求1.一种深冷环境材料力学性能检测试验装置，包括试验机控制系统、数据检测系统、低温恒温系统以及试验机主体，试验机控制系统包括连接至计算机的电子伺服控制器；其特征在于 所述试验机主体由液压源和双柱机架组成；其中，双柱机架包括固定设置于底座上的两根立柱，装有作动器的横梁经两个通孔套设于两根立柱上；横梁的两端分别固定在竖向的提升筒上，提升筒下端抵在底座上；横梁上与拉伸杆之间安装有载荷传感器，所述作动器和提升筒与液压源相接； 所述低温恒温系统有两套且能相互切换使用，分别是液氮气化制冷系统和液氮直接制冷系统，其中， 液氮气化制冷系统包括接于双柱机架底座的环境箱、温度控制器及热电偶；环境箱顶部和底部均开孔，所述的拉伸杆从环境箱顶部开孔伸入环境箱内部，还有另一根拉伸杆从 环境箱底部的开孔伸入环境箱内部，两根拉伸杆相对设置且其端部均设有夹具；所述双柱 机架的底座上设导轨，所述液氮气化制冷系统环境箱底部设有与该导轨相匹配的卡装部件，环境箱通过导轨与底座实现连接且能沿导轨前后移动；环境箱内设两个热电偶，一个置于环境箱内部空间内并连接至温度控制器用于环境箱温度反馈控制，另一个紧贴试样以准确获得试样温度； 液氮直接制冷系统包括通过平台置于双柱机架底座上的环境箱，该环境箱是一个盛装液氮或液氦的容器，其容器盖上设有开孔；拉伸杆和两根接于迷你机架的迷你机架反向杆分别经开孔伸入环境箱内部，迷你机架与环境箱的内壁不接触；两个相对设置的夹具分别安装在拉伸杆一端和迷你机架上。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，在所述液氮气化制冷系统和液氮直接制冷系统的环境箱内设有能工作于深冷环境的引伸计。
3.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述液氮直接制冷系统包括用于向环境箱内通入液氮的金属软管，其底部设有能使液氮稳定流出的相分离器。
4.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述液氮直接制冷系统的环境箱置于电子秤之上，其容器盖上设有用于通过测量液位用刻度尺的开孔。
5.根据权利要求I至4任意一项中所述的装置，其特征在于，所述作动器位于横梁的上方或下方；作动器位于横梁的一侧，而所述拉伸杆及环境箱则位于横梁的另一侧。
专利摘要本实用新型涉及材料力学性能测试领域，旨在提供一种深冷环境材料力学性能检测试验装置。该装置包括试验机控制系统、数据检测系统、低温恒温系统以及试验机主体，试验机控制系统包括连接至计算机的电子伺服控制器；试验机主体由液压源和双柱机架组成；低温恒温系统有两套且能相互切换使用，分别是液氮气化制冷系统和液氮直接制冷系统。该装置可以实现从常温到零下185℃以及液氮温度下的材料拉伸及疲劳试验，可方便地实现液氮气化制冷和液氮直接制冷两种方式的切换，具有试验温度范围大，检测精度高等优点。
文档编号G01N3/18GK202757843SQ20122040604
公开日2013年2月27日 申请日期2012年8月16日 优先权日2012年8月16日
发明者郑津洋, 高晓哲, 缪存坚, 郭阿宾, 顾超华, 贺世正, 马利, 黄泽 申请人:浙江大学